§ 12. ВЫБОР БУРОВОГО РАСТВОРА ПРИ БУРЕНИИ В
ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ
Состав и свойства буровых растворов во многом обусловливают
эффективность повышения буримости пород, энергетические условия очистки
забоя от выбуренной породы, устойчивость стенок скважин и т. д. Решение
этих вопросов в значительной мере облегчило бы оптимизацию процесса
бурения и промывки скважины. Известно, что состав, реологические,
фильтрационные, коллоидные и физико-химические свойства буровых
растворов существенно влияют как на устойчивость стенок скважин,
сложенных неустойчивыми породами, так в целом на процесс бурения.
Из практики бурения глубоких скважин известно, что в некоторых случаях
буровой раствор, весьма благоприятный для процесса разрушения горных
пород, оказывался непригодным для сохранения устойчивости стенок скважин
в глинистых породах. Поэтому при выборе системы бурового раствора
необходимо четко определить цели и задачи раствора как промывочной
среды.
Если необходимо сохранить устойчивость стенок скважин, то состав и
свойства бурового раствора должны обеспечить сохранение естественной
влажности и прочности глинистой породы на стенке скважины и одновременно
нормальное проведение процесса разрушения породы. Таким условием
соответствуют буровые растворы, обладающие низкой поверхностной и
осмотической гидратацией, химический потенциал которых близок к
химическому потенциалу глинистой породы. Создать и разработать такие
универсальные системы буровых растворов, с помощью которых можно
разбуривать глинистые сланцы различного минералогического и
кристаллохимического состава, очень сложно. Для того чтобы подобрать
раствор, соответствующий разбуриваемым глинистым сланцам, необходимо
знать: минералогический и кристаллохимический составы глин, их
физические и механические характеристики; активность глинистого сланца и
его химический потенциал; условия напряженного состояния, глубину
залегания и температуру массива глины; плотность, влажность, сплошность
или трещиноватость; соотношение содержания активных фракций в глине и
включений гидрофобных пород, не взаимодействующих с водной фазой.
Многие из этих показателей нельзя определить непосредственно в скважине,
поэтому необходимо провести опыты в лабораторных условиях.
В связи с этим возникают трудности, связанные с выбором соответствующего
бурового раствора из-за недостатка информации
о составе и свойствах разбуриваемых в скважине глин. Однако большой опыт
бурения в глинистых отложениях уже сейчас позволяет условно
классифицировать глинистые породы по их совместимости с промывочной
средой. Классификация буровых растворов, соответствующих условиям
бурения в глинистых сланцах, приведена в табл. 6. Из табл. 6 следует,
что условно глинистые сланцы можно разбить на четыре класса. К первому
(I) классу относятся мягкие и пластичные глины, состоящие из Nа- и
Са-монтмориллонита, каолинита, иллита, содержащие 20—40% глинистых
фракций, активно взаимодействующих с водой. Для этого класса глин
характерны высокая влажность (25—40%) и низкая плотность (1,2—1,5
г/см3). Глины такого типа рекомендуется разбуривать эмульсионными
буровыми растворами, насыщенными солью, ингибированными растворами на
основе хлористого кальция, инвертными эмульсиями с регулируемой водной
фазой. Концентрацию солей электролитов следует поддерживать в пределах
насыщения, так чтобы обеспечить равновесие активностей водной фазы
бурового раствора и глинистой породы. Возможно также применение
полимерглинистых растворов на основе реагентов биополимерного типа.
Для второго (II) класса глин, представленных трещиноватыми, твердыми
глинистыми сланцами с прослойками Na-монтморилло-нита, иллита,
содержащими 20—30% активных к воде фракций глинистых минералов, с
влажностью 15—25% и плотностью 2,2-2,5 г/см3, рекомендуются
слабоминералнзованные буровые растворы с низкой водоотдачей,
эмульгированные нефтью. Для разбуривания таких глинистых сланцев могут
быть также применены соленасыщенные растворы, инвертные эмульсии с
регулируемой водной фазой. При сильной трещиноватости и высокой линейной
пористости и перемятости пород, чтобы предотвратить поглощения
промывочной среды, можно применять аэрированные растворы (псевдоожиженные
системы).
Для третьего (III) класса глинистых сланцев, представленных хрупкими и
обезвоженными аргиллитами и алевролитами с низкой проницаемостью,
содержащих 20—30% активных к воде глинистых минералов, с естественной
влажностью 5—15% и плотностью 2,2—2,5 г/см3, рекомендуется применять
ингибированные буровые растворы (гипсовые, хлоркальциевые), инвертные
эмульсии с регулируемой водной фазой или известковобитумные растворы (ИБР).
К четвертому (IV) классу относят твердые, обезвоженные, трещиноватые
глинистые сланцы, сильно метаморфизованные под действием высоких
температур и давлений, часто нарушенные тектоническими подвижками,
содержащие от 5 до 30% активных к воде глинистых минералов с
естественной влажностью 2—5% и плотностью 2,5—2,7 г/см3. Такие глинистые
сланцы весьма чувствительны к щелочности бурового раствора и величине
его водоотдачи. Для вскрытия таких глинистых пород рекомендуют пресные
буровые растворы с низкой водоотдачей, обработанные лигносульфонатами,
феррохромлигносульфонатами, хромлигно-сульфонатами. В последние годы
рекомендуется разбуривать такие сланцы высококонцентрированными
инвертными эмульсиями с регулируемой активностью водной фазы и
растворами на нефтяной основе (ИБР, РНО и др.).
Приведенная классификация буровых растворов для бурения глинистых
сланцев основана на зарубежном опыте проводки глубоких скважин в
глинистых отложениях. В последние годы
хорошие результаты были получены при бурении глинистых сланцев на
известково-битумных растворах, разработанных Л. К. Мухиным. Данные
бурения одной из таких скважин (скв. 55 Лев-кинская) в Ахтырском УБР
объединения Краснодарнефтегаз приводятся в табл. 7; кроме того, в
таблице приводятся данные бурения скв. 35 и 50 той же площади, но с
промывкой солестойким буровым раствором па водной основе.
Результаты бурения этих скважин убедительно показывают преимущество
применения известково-битумных растворов при бурении в глинистых
отложениях но сравнению с промывкой солестойкими буровыми растворами на
водной основе.
Опыт бурения скважин в глинистых отложениях с промывкой инвертными
эмульсиями с регулируемой активностью водной фазы показал, что эти
системы тоже обеспечивают надежную устойчивость стенок скважин. Однако
при вскрытии глин с промывкой растворами на углеводородной основе,
характеризующимися высоким норовым давлением, требуется утяжеление их
баритом до плотности, равной градиенту давления. В противном случае
могут возникнуть хрупкие обвалы и осыпи из-за концентрации напряжений на
стенках ствола скважины, вызванных разностью между норовым давлением в
глинах и низкой плотностью растворов на углеводородной основе.
Из опыта бурения глинистых отложений с аномально высоким поровым
давлением с промывкой растворами на углеводородной основе и инвертными
эмульсиями в нашей стране и за рубежом известны случаи нарушения
устойчивости ствола в глинистых отложениях в виде хрупких осыпей. Это
вызвано наличием высоких (25—35 кгс/см2) внутренних перепадов напряжений
на стенке ствола скважины, обусловленных низкой плотностью растворов на
неводной основе, недостаточной для создания гидростатического
противодавления на глинистую породу.
Следует иметь в виду, что при промывке скважин углеводородными
жидкостями (ИБР, БИЭР и др.) нельзя допускать поглощения раствора в
открытом стволе, сложенном глинистыми сланцами. При поглощении
углеводородного раствора и резком снятии противодавления на глинистую
породу может возникнуть лавинный хрупкий обвал породы, и бурильный
инструмент окажется прихваченным. Ликвидация такого рода обвалов сложна
и чаще всего приводит к забуриванию нового ствола. Поэтому необходимо
поддерживать плотность раствора на уровне градиента пластового давления
и не допускать гидроразрыва пластов при бурении.